З яких атомів складається вуглець. Вуглець та його основні неорганічні сполуки

МОУ «Нікіфорівська середня загальноосвітня школа №1»

Вуглець та його основні неорганічні сполуки

Реферат

Виконав: учень 9В класу

Сидоров Олександр

Вчитель: Сахарова Л.М.

Дмитрівка 2009

Вступ

Глава I. Все про вуглець

1.1. Вуглець у природі

1.2. Алотропні модифікації вуглецю

1.3. Хімічні властивості вуглецю

1.4. Застосування вуглецю

Розділ II. Неорганічні сполуки вуглецю

Висновок

Література

Вступ

Вуглець (лат. Carboneum) С – хімічний елемент IV групи періодичної системиМенделєєва: атомний номер 6, атомна маса 12,011 (1). Розглянемо будову атома вуглецю. На зовнішньому енергетичному рівніатома вуглецю знаходяться чотири електрони. Зобразимо графічно:

Вуглець був відомий з давнину, та ім'я першовідкривача цього елемента невідоме.

У наприкінці XVIIв. флорентійські вчені Аверані та Тарджоні намагалися сплавити кілька дрібних алмазів в один великий і нагріли їх за допомогою запального скла сонячним промінням. Алмази зникли, згорівши на повітрі. У 1772 р. французький хімікА. Лавуазьє показав, що при згорянні алмазу утворюється СО2. Лише у 1797 р. англійський вчений С. Теннант довів ідентичність природи графіту та вугілля. Після згоряння рівних кількостей вугілля та алмазу обсяги оксиду вуглецю (IV) виявилися однаковими.

Різноманітність сполук вуглецю, що пояснюється здатністю його атомів з'єднуватися один з одним і атомами інших елементів у різний спосіб, зумовлює особливе положення вуглецю серед інших елементів.

Глава I . Все про вуглецю

1.1. Вуглець у природі

Вуглець знаходиться в природі як у вільному стані, так і у вигляді сполук.

Вільний вуглець зустрічається у вигляді алмазу, графіту та карбину.

Алмази дуже рідкісні. Найбільший з відомих алмазів – «Куллінан» був знайдений у 1905 р. в Південній Африці, важив 621,2 г і мав розміри 10 6,5 5 см. В Алмазному фонді в Москві зберігається один з найбільших і найкрасивіших алмазів у світі - Орлов (37,92 г).

Свою назву алмаз отримав від грецьк. "Адамас" - непереможний, незламний. Найзначніші родовища алмазів перебувають у Південній Африці, Бразилії, Якутії.

Великі поклади графіту перебувають у ФРН, Шрі-Ланці, Сибіру, ​​Алтаї.

Головними вуглецевими мінералами є: магнезит МgСО 3 , кальцит (вапняний шпат, вапняк, мармур, крейда) СаСО 3 , доломіт СаМg(СО 3) 2 та ін.

Усі горючі копалини – нафта, газ, торф, кам'яні та бурі вугілля, сланці – побудовані на вуглецевій основі. Близькі за складом до вуглецю деякі викопні вугілля, що містять до 99%.

Перед вуглецю припадає 0,1% земної кори.

У вигляді оксиду вуглецю (IV) 2 вуглець входить до складу атмосфери. У гідросфері розчинено велику кількість СО 2 .

1.2. Алотропні модифікації вуглецю

Елементарний вуглець утворює три алотропні модифікації: алмаз, графіт, карбін.

1. Алмаз – безбарвна, прозора кристалічна речовина, що надзвичайно сильно заломлює промені світла. Атоми вуглецю в алмазі перебувають у стані sр 3 -гібридизації. У збудженому стані відбувається розпарювання валентних електронів в атомах вуглецю та утворення чотирьох неспарених електронів. При утворенні хімічних зв'язків електронні хмари набувають однакової витягнутої форми і розташовуються в просторі так, що їх осі виявляються спрямованими до вершин тетраедра. При перекриванні вершин цих хмар із хмарами інших атомів вуглецю виникають ковалентні зв'язкипід кутом 109°28", і утворюється атомна кристалічна решіткахарактерна для алмазу.

Кожен атом вуглецю в алмазі оточений чотирма іншими, розташованими від нього у напрямках від центру тетраедрів до вершин. Відстань між атомами в тетраедрах дорівнює 0,154 нм. Міцність всіх зв'язків однакова. Таким чином, атоми в алмазі "упаковані" дуже щільно. При 20°З щільність алмазу становить 3,515 г/см 3 . Цим пояснюється його виняткова твердість. Алмаз погано проводить електричний струм.

У 1961 р. у Радянському Союзі було розпочато промислове виробництво синтетичних алмазів із графіту.

При промисловому синтезі алмазів використовуються тиску тисячі МПа і температури від 1500 до 3000°С. Процес ведуть у присутності каталізаторів, якими можуть бути деякі метали, наприклад Ni. Основна маса алмазів, що утворюються, - невеликі кристали і алмазний пил.

Діамант при нагріванні без доступу повітря вище 1000°С перетворюється на графіт. При 1750 ° С перетворення алмазу на графіт відбувається швидко.

Структура алмазу

2. Графіт - сіро-чорна кристалічна речовина з металевим блиском, жирна на дотик, по твердості поступається навіть папері.

Атоми вуглецю в кристалах графіту перебувають у стані sр 2 -гібридизації: кожен з них утворює три ковалентні зв'язки з сусідніми атомами. Кути між напрямками зв'язків дорівнюють 120°. В результаті утворюється сітка, що складається з правильних шестикутників. Відстань між сусідніми ядрами атомів вуглецю усередині шару становить 0,142 нм. Четвертий електрон зовнішнього шару кожного атома вуглецю в графіті займає р-орбіталь, що не бере участь у гібридизації.

Негібридні електронні хмари атомів вуглецю орієнтовані перпендикулярно до площини шару, і перекриваючись один з одним, утворюють справакалізовані σ-зв'язки. Сусідні шари в кристалі графіту знаходяться один від одного на відстані 0,335 нм і слабко пов'язані між собою, переважно силами Ван-дер-Ваальса. Тому графіт має низьку механічну міцність і легко розщеплюється на лусочки, які власними силами дуже міцні. Зв'язок між шарами атомів вуглецю у графіті частково має металевий характер. Цим пояснюється той факт, що графіт добре проводить електричний струм, але все ж не так добре, як метали.

Структура графіту

Фізичні властивості у графіті сильно різняться за напрямками – перпендикулярним і паралельним шарам атомів вуглецю.

При нагріванні без доступу повітря графіт не зазнає жодних змін до 3700°С. За вказаної температури він виганяється, не плавлячись.

Штучний графіт одержують із кращих сортів кам'яного вугілля при 3000°С в електричних печах без доступу повітря.

Графіт термодинамічно стійкий у широкому інтервалі температур і тисків, тому він приймається як стандартний стан вуглецю. Щільність графіту становить 2265 г/см 3 .

3. Карбін - дрібнокристалічний порошок чорного кольору. У його кристалічній структурі атоми вуглецю з'єднані одинарними і потрійними зв'язками, що чергуються, в лінійні ланцюжки.

−С≡С−С≡С−С≡С−

Цю речовину вперше отримано В.В. Коршаком, А.М. Сладковим, В.І. Касаточкіним, Ю.П. Кудрявцевим на початку 60-х років XX ст.

Згодом було показано, що карбін може існувати в різних формахі містить як поліацетиленові, так і полікумуленові ланцюжки, в яких вуглецеві атоми пов'язані подвійними зв'язками:

С=С=С=С=С=С=

Пізніше карбін був знайдений у природі – у метеоритній речовині.

Карбін має напівпровідникові властивості, під дією світла його провідність сильно збільшується. За рахунок існування різних типів зв'язку та різних способівукладання ланцюгів з вуглецевих атомів у кристалічній решітці фізичні властивості карбину можуть змінюватися в широких межах. При нагріванні без доступу повітря вище 2000 С карбін стійкий, при температурах близько 2300 С спостерігається його перехід в графіт.

Природний вуглець складається із двох ізотопів

Раніше вважали, що деревне вугілля, сажа і кокс близькі за складом чистого вуглецю і відрізняються за властивостями від алмазу і графіту, являють собою самостійну алотропну модифікацію вуглецю («аморфний вуглець»). Однак було встановлено, що ці речовини складаються з найдрібніших кристалічних частинок, В яких атоми вуглецю пов'язані так само, як у графіті.

4. Вугілля – тонко подрібнений графіт. Утворюється при термічному розкладанні вуглецевмісних сполук без доступу повітря. Вугілля істотно різняться за властивостями залежно від речовини, з якої вони отримані та способу отримання. Вони завжди містять домішки, що впливають на їх властивості. Найважливіші сорти вугілля – кокс, деревне вугілля, сажа.

Кокс виходить під час нагрівання кам'яного вугілля без доступу повітря.

Деревне вугілля утворюється при нагріванні дерева без доступу повітря.

Сажа дуже дрібний графітовий кристалічний порошок. Утворюється при спалюванні вуглеводнів (природного газу, ацетилену, скипидару та ін) при обмеженому доступі повітря.

Активне вугілля - пористі промислові адсорбенти, що складаються переважно з вуглецю. Адсорбцією називають поглинання поверхнею твердих речовин газів та розчинених речовин. Активне вугілля отримують з твердого палива (торфу, бурого та кам'яного вугілля, антрациту), дерева та продуктів його переробки (деревного вугілля, тирси, відходів паперового виробництва), відходів шкіряної промисловості, матеріалів тваринного походження, наприклад кісток. Вугілля, що відрізняється високою механічною міцністю, виробляють із шкаралупи кокосових та інших горіхів, із кісточок плодів. Структура вугілля представлена ​​порами всіх розмірів, проте адсорбційна ємність та швидкість адсорбції визначаються вмістом мікропор в одиниці маси або об'єму гранул. При виробництві активного вугілля спочатку вихідний матеріал піддають термічної обробки без доступу повітря, в результаті якої з нього видаляється волога та частково смоли. При цьому утворюється крупнопориста структура вугілля. Для отримання мікропористої структури активацію роблять або окисленням газом або парою, або обробкою хімічними реагентами.

Вуглець(Лат. Carboneum), С, хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 6, атомна маса 12,011. Відомі два стабільні ізотопи: 12 С (98,892%) і 13 С (1,108%). З радіоактивних ізотопів найбільш важливий 14 С з періодом напіврозпаду (Т? = 5,6 · 10 3 років). Невеликі кількості 14 С (близько 2·10 -10 % за масою) постійно утворюються в верхніх шарахатмосфери при дії нейтронів космічного випромінювання на ізотоп азоту 14 N. За питомою активністю ізотопу 14 С у залишках біогенного походження визначають їхній вік. 14 З широко використовується як ізотопний індикатор.

Історична довідка.Вуглець відомий з глибокої давнини. Деревне вугілля служило відновлення металів з руд, алмаз - як дорогоцінний камінь. Значно пізніше стали застосовувати графіт виготовлення тиглів і олівців.

У 1778 році К. Шееле, нагріваючи графіт із селітрою, виявив, що при цьому, як і при нагріванні вугілля із селітрою, виділяється вуглекислий газ. Хімічний склад алмазу був встановлений в результаті дослідів А. Лавуазьє (1772) з вивчення горіння алмазу на повітрі та досліджень С. Теннанта (1797), який доказав, що однакові кількості алмазу та вугілля дають при окисленні рівні кількості вуглекислого газу. Вуглець був визнаний хімічним елементом в 1789 Лавуазьє. Латинська назва сагboneum Вуглець отримав від carbo - вугілля.

Поширення вуглецю в природі.Середній вміст Вуглецю в земної кори 2,3·10 -2 % за масою (1·10 -2 в ультраосновних, 1·10 -2 - в основних, 2·10 -2 - у середніх, 3·10 -2 - у кислих гірських породах). Вуглець накопичується у верхній частині земної кори (біосфері): в живій речовині 18% Вуглецю, деревині 50%, кам'яному вугіллі 80%, нафти 85%, антрацит 96%. Значна частина Вуглецю літосфери зосереджена у вапняках та доломітах.

Число власних мінералів Вуглецю - 112; Винятково велика кількість органічних сполук Вуглецю - вуглеводнів та їх похідних.

З накопиченням Вуглецю в земній корі пов'язане накопичення і багатьох інших елементів, що сорбуються органічною речовиною і облягають у вигляді нерозчинних карбонатів, і т. д. Велику геохімічну роль у земній корі відіграють СО 2 і вугільна кислота. Величезна кількість СО 2 виділяється при вулканізмі - історія Землі це було основне джерело Вуглецю для біосфери.

Порівняно із середнім вмістом у земній корі людство у винятково великих кількостях витягує Вуглець з надр (вугілля, нафту, природний газ), оскільки ці копалини - основне джерело енергії.

Величезне геохімічне значення має кругообіг Вуглецю.

Вуглець поширений також у космосі; на Сонці він займає 4 місце після водню, гелію і кисню.

Фізичні властивості Вуглецю.Відомі кілька кристалічних модифікацій Вуглецю: графіт, алмаз, карбін, лонсдейліт та інші. Графіт - сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик, луската, дуже м'яка маса з металевим блиском. Побудований із кристалів гексагональної структури: а = 2,462Å, c = 6,701Å. При кімнатній температурі та нормальному тиску (0,1 Мн/м 2 або 1 кгс/см 2 ) графіт термодинамічно стабільний. Діамант - дуже тверда, кристалічна речовина. Кристали мають кубічні гранецентровані грати: а = 3,560Å. При кімнатній температурі та нормальному тиску алмаз метастабільний. Помітне перетворення алмазу на графіт спостерігається при температурах вище 1400 ° С у вакуумі або в інертній атмосфері. При атмосферному тискута температурі близько 3700 °С графіт виганяється. Рідкий Вуглець може бути отриманий при тиску вище 10,5 Мн/м 2 (105 кгс/см 2) і температурах вище 3700 °С. Для твердого Вуглецю (кокс, сажа, деревне вугілля) характерно також стан з невпорядкованою структурою - так званих "аморфний" Вуглець, який не є самостійною модифікацією; в основі його будови лежить структура дрібнокристалічного графіту. Нагрівання деяких різновидів "аморфного" Вуглецю вище 1500-1600 ° С без доступу повітря викликає їх перетворення на графіт. Фізичні властивості "аморфного" Вуглець дуже залежать від дисперсності частинок та наявності домішок. Щільність, теплоємність, теплопровідність та електропровідність "аморфного" Вуглецю завжди вища, ніж графіту. Карбін отриманий штучно. Він є дрібнокристалічний порошок чорного кольору (щільність 1,9-2 г/см 3). Побудований з довгих ланцюжків атомів, покладених паралельно один одному. Лонсдейліт знайдений у метеоритах та отриманий штучно.

Хімічні властивості Вуглецю.Конфігурація зовнішньої електронної оболонкиатома Вуглецю 2s 2 2p 2 . Для Вуглецю характерне утворення чотирьох ковалентних зв'язків, обумовлене збудженням зовнішньої електронної оболонки до 2sp 3 . Тому Вуглець здатний у рівного ступеняяк притягувати, і віддавати електрони. Хімічний зв'язок може здійснюватися за рахунок sp 3 -, sp 2 - і sp-гібридних орбіталей, яким відповідають координаційні числа 4, 3 і 2. Число валентних електронів Вуглецю та число валентних орбіталей однаково; це одна із причин стійкості зв'язку між атомами Вуглецю.

Унікальна здатність атомів Вуглецю поєднуватися між собою з утворенням міцних і довгих ланцюгів і циклів призвела до виникнення величезної кількості різноманітних сполук Вуглецю, що вивчаються органічною хімією.

У сполуках Вуглець виявляє ступеня окиснення -4; +2; +4. Атомний радіус 0,77Å, ковалентні радіуси 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å відповідно в одинарному, подвійному та потрійному зв'язках; іонний радіус З 4-2,60Å, З 4+ 0,20Å. За звичайних умов Вуглець хімічно інертний, за високих температур він з'єднується з багатьма елементами, виявляючи сильні відновлювальні властивості. Хімічна активність зменшується в ряду: "аморфний" Вуглець, графіт, алмаз; взаємодія з киснем повітря (горіння) відбувається відповідно при температурах вище 300-500 °С, 600-700 °З і 850-1000 °З утворенням оксиду вуглецю (IV) СО 2 і оксиду вуглецю (II) СО.

2 розчиняється у воді з утворенням вугільної кислоти. В 1906 О. Дільс отримав недооксид Вуглецю С 3 Про 2 . Всі форми Вуглецю стійкі до лугів та кислот і повільно окислюються тільки дуже сильними окислювачами (хромова суміш, суміш концентрованих HNO 3 та КСlO 3 та інших). "Аморфний" Вуглець реагує з фтором при кімнатній температурі, графіт та алмаз - при нагріванні. Безпосереднє з'єднання Вуглецю з хлором відбувається в електричній дузі; з бромом та йодом Вуглець не реагує, тому численні галогеніди вуглецю синтезують непрямим шляхом. З оксигалогенідів загальної формули СОХ 2 (де X - галоген) найбільш відома хлороксид СОСl (фосген). Водень з алмазом не взаємодіє; з графітом і "аморфним" Вуглецем реагує при високих температурах у присутності каталізаторів (Ni, Pt): при 600-1000 ° С утворюється в основному метан СН 4 при 1500-2000 ° С - ацетилен С 2 Н 2 ; в продуктах можуть бути присутніми також інші вуглеводні, наприклад етан 2 Н 6 , бензол 6 Н 6 . Взаємодія сірки з "аморфним" Вуглецем та графітом починається при 700-800 ° С, з алмазом при 900-1000 ° С; у всіх випадках утворюється сірковуглець CS 2 . Інші сполуки Вуглецю, що містять сірку (тіооксид CS, тіонедооксид С 3 S 2 , серооксид COS і тіофосген CSCl 2), отримують непрямим шляхом. При взаємодії CS 2 з сульфідами металів утворюються тіокарбонати – солі слабкої тіокутної кислоти. Вуглецю з азотом з одержанням ціану (CN) 2 відбувається при пропусканні електричного розрядуміж вугільними електродами у атмосфері азоту. Серед азотовмісних сполук Вуглецю важливе практичне значеннямають ціаністий водень HCN (Синильна кислота) та його численні похідні: ціаніди, галогенціани, нітрили та інших. При температурах вище 1000 °С Вуглець взаємодіє з багатьма металами, даючи карбіди. Всі форми Вуглецю при нагріванні відновлюють оксиди металів з утворенням вільних металів (Zn, Cd, Cu, Рb та інших) або карбідів (СаС 2 Мо 2 С, WC, ТаС та інших). Вуглець реагує при температурах вище 600-800 ° С з водяною парою та вуглекислим газом (Газифікація палив). Відмінною особливістюграфіту є здатність при помірному нагріванні до 300-400 ° С взаємодіяти з лужними металамиі галогенідами з утворенням сполук включення типу 8 Ме, 24 Ме, 8 Х (де X - галоген, Me - метал). Відомі сполуки включення графіту з HNO 3 , H 2 SO 4 FeCl 3 та інші (наприклад, бісульфат графіту C 24 SO 4 H 2). Усі форми Вуглецю нерозчинні у звичайних неорганічних та органічних розчинниках, але розчиняються у деяких розплавлених металах (наприклад, Fe, Ni, Co).

p align="justify"> Народногосподарське значення Вуглецю визначається тим, що понад 90% всіх первинних джерел споживаної у світі енергії припадає на органічне паливо, головна роль якого збережеться і на найближчі десятиліття, незважаючи на інтенсивний розвиток ядерної енергетики. Тільки близько 10% видобутого палива використовується як сировина для основного органічного синтезу та нафтохімічного синтезу, для отримання пластичних мас та інших.

Вуглецю в організмі.Вуглець - найважливіший біогенний елемент, що становить основу життя на Землі, структурна одиниця великої кількості органічних сполук, що беруть участь у побудові організмів та забезпеченні їхньої життєдіяльності (біополімери, а також численні низькомолекулярні біологічно активні речовини - вітаміни, гормони, медіатори та інші). Значна частина необхідної організмам енергії утворюється у клітинах з допомогою окислення Вуглецю. Виникнення життя Землі у сучасне науці як складний процес еволюції вуглецевих сполук.

Унікальна роль Вуглецю в живій природі обумовлена ​​його властивостями, якими в сукупності не має жоден інший елемент періодичної системи. Між атомами Вуглецю, а також між Вуглецем та іншими елементами утворюються міцні хімічні зв'язки, які, однак, можуть бути розірвані у порівняно м'яких фізіологічних умовах (ці зв'язки можуть бути одинарними, подвійними та потрійними). Здатність Вуглецю утворювати 4 рівнозначні валентні зв'язки з іншими атомами Вуглецю створює можливість для побудови вуглецевих скелетів різних типів - лінійних, розгалужених, циклічних. Показово, що всього три елементи – С, Про та Н – становлять 98% загальної маси живих організмів. Цим досягається певна економічність у живій природі: при практично безмежному структурному розмаїтті вуглецевих сполук невелика кількість типів хімічних зв'язків дозволяє набагато скоротити кількість ферментів, необхідних для розщеплення та синтезу органічних речовин. Особливості будови атома Вуглецю лежать в основі різних видів ізомерії органічних сполук (здатність до оптичної ізомерії виявилася вирішальною в біохімічної еволюціїамінокислот, вуглеводів та деяких алкалоїдів).

Відповідно до загальноприйнятої гіпотези А. І. Опаріна, перші органічні сполуки на Землі мали абіогенне походження. Джерелами Вуглецю служили метан (СН 4) і ціаністий водень (HCN), які у первинній атмосфері Землі. З виникненням життя єдиним джерелом неорганічного Вуглецю, за рахунок якого утворюється вся органічна речовина біосфери, є оксид вуглецю (IV) (СО 2), що знаходиться в атмосфері, а також розчинений у природних водахяк НСО 3 . Найбільш потужний механізм засвоєння (асиміляції) Вуглецю (у формі СО2) – фотосинтез – здійснюється повсюдно зеленими рослинами (щорічно асимілюється близько 100 млрд. т СО2). На Землі існує і еволюційно більш давній спосіб засвоєння 2 шляхом хемосинтезу; у цьому випадку мікроорганізми-хемосинтетики використовують не променисту енергію Сонця, а енергію окиснення неорганічних сполук. Більшість тварин споживають вуглецю з їжею у вигляді вже готових органічних сполук. Залежно від способу засвоєння органічних сполук прийнято розрізняти автотрофні та гетеротрофні організми. Застосування для біосинтезу білка та інших поживних речовин мікроорганізмів, що використовують як єдине джерело Вуглецю вуглеводні нафти, - одна з важливих сучасних науково-технічних проблем.

Вміст Вуглецю в живих організмах для сухої речовини становить: 34,5-40% у водних рослин і тварин, 45,4-46,5% у наземних рослин і тварин і 54% у бактерій. У процесі життєдіяльності організмів, в основному за рахунок тканинного дихання, відбувається окислювальний розпад органічних сполук з виділенням у зовнішнє середовище 2 . Вуглець виділяється також у складі складніших кінцевих продуктівобмін речовин. Після загибелі тварин і рослин частина Вуглецю знову перетворюється на СО 2 в результаті процесів гниття, що здійснюються мікроорганізмами. Таким чином відбувається кругообіг вуглецю в природі. Значна частина Вуглецю мінералізується та утворює поклади викопного Вуглецю: кам'яне вугілля, нафту, вапняки та інші. Крім основної функції - джерела Вуглецю - СО 2 , Розчинена в природних водах і в біологічних рідинах, бере участь у підтримці оптимальної для життєвих процесів кислотності середовища. У складі СаСО 3 Вуглець утворює зовнішній скелет багатьох безхребетних (наприклад, раковини молюсків), а також міститься в коралах, яєчній шкаралупі птахів та інших. надалі, у процесі біологічної еволюції, перетворилися на сильні антиметаболіти обміну речовин

Крім стабільних ізотопів Вуглецю, у природі поширений радіоактивний 14 С (в організмі людини його міститься близько 0,1 мккюрі). З використанням ізотопів Вуглецю в біологічних та медичних дослідженняхпов'язані багато великі досягненняу вивченні обміну речовин та круговороту Вуглець у природі. Так, за допомогою радіовуглецевої мітки було доведено можливість фіксації Н 14 СО 3 - рослинами та тканинами тварин, встановлено послідовність реакцій фотосинтезу, вивчено обмін амінокислот, простежено шляхи біосинтезу багатьох біологічно активних з'єднаньі т. д. Застосування 14 С сприяло успіхам молекулярної біології у вивченні механізмів біосинтезу білка та передачі спадкової інформації. Визначення питомої активності 14 С у вуглецевмісних органічних залишках дозволяє судити про їх вік, що використовується в палеонтології та археології.

Вуглець відомий з глибокої давнини. У 1778 К. Шееле, нагріваючи графіт із селітрою, виявив, що при цьому, як і при нагріванні вугілля із селітрою, виділяється вуглекислий газ. Хімічний склад алмазу було встановлено в результаті дослідів А.Лавуазьє (1772) щодо вивчення горіння алмазу на повітрі та досліджень С.Теннанта (1797), який доказав, що однакові кількості алмазу та вугілля дають при окисленні рівні кількості вуглекислого газу. Вуглець як хімічний елемент був визнаний лише у 1789 р. А.Лавуазьє. На початку ХІХ ст. старе слово вугілля в російській хімічній літературі іноді замінювалося словом "вуглець" (Шерер, 1807; Севергін, 1815); з 1824 р. Соловйов ввів назву вуглець. Латинську назву сarboneum вуглець отримав від сarbo – вугілля.

Отримання:

Неповне спалювання метану: СН 4 + О 2 = С + 2Н 2 О (сажа);
Суха перегонка деревини, кам'яного вугілля (дерев'яне вугілля, кокс).

Фізичні властивості:

Відомі кілька кристалічних модифікацій вуглецю: графіт, алмаз, карбін, графен.
Графіт- сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик, луската, дуже м'яка маса з металевим блиском. При кімнатній температурі та нормальному тиску (0,1 Мн/м 2 або 1кгс/см 2 ) графіт термодинамічно стабільний. При атмосферному тиску та температурі близько 3700°С графіт виганяється. Рідкий вуглець може бути отриманий при тиску вище 105 Мн/м 2 (1051 кгс/см2) і температурах вище 3700°С. Структура дрібнокристалічного графіту лежить в основі будови "аморфного" вуглецю, який не є самостійною модифікацією (кокс, сажа, деревне вугілля). Нагрівання деяких різновидів "аморфного" вуглецю вище 1500-1600 ° С без доступу повітря викликає їх перетворення на графіт. Фізичні властивості "аморфного" вуглецю дуже залежать від дисперсності частинок та наявності домішок. Щільність, теплоємність, теплопровідність та електропровідність "аморфного" вуглецю завжди вища, ніж графіту.
Алмаз- дуже тверда, кристалічна речовина. Кристали мають кубічні гранецентровані грати: а=3,560. При кімнатній температурі та нормальному тиску алмаз метастабільний. Помітне перетворення алмазу на графіт спостерігається при температурах вище 1400°С у вакуумі або в інертній атмосфері.
Карбінотримано штучно. Він є дрібнокристалічний порошок чорного кольору (щільність 1,9 - 2 г/см 3). Побудований з довгих ланцюжків атомів, покладених паралельно один одному.
Графен- мономолекулярний шар (шар, товщиною в одну молекулу) атомів вуглецю, які щільно упаковані в двомірну решітку, що за формою нагадує бджолині стільники. Графен було вперше отримано та досліджено Олександром Геймом та Костянтином Новосьоловим, які стали за це відкриття лауреатами Нобелівської премії з фізики 2010 року.

Хімічні властивості:

Вуглець малоактивний, на холоді реагує тільки з F 2 (утворюючи CF 4). При нагріванні реагує з багатьма неметалами та складними речовинами, виявляючи відновлювальні властивості:
CO 2 + C = CO вище 900°С
2H 2 O + C = CO 2 + H 2 вище 1000°С або H 2 O + C = CO + H 2 вище 1200°С
CuO + C = Cu + CO
HNO 3 + 3C = 3 CO 2 + 4 NO + 2 H 2 O
Слабкі окисні властивості проявляються у реакціях з металами, воднем
Ca + С = CaС 2 карбід кальцію
Si + С = CSi карборунд
CaO + C = CaC 2 + CO

Найважливіші сполуки:

ОксидиСО, СО 2
Вугільна кислотаН 2 3 , карбонати кальцію (крейда, мармур, кальцит, вапняк),
КарбідиСаС 2
Органічні речовининаприклад, вуглеводні, білки, жири

Застосування:

Графіт використовується в олівцевій промисловості, також використовується як мастило при особливо високих або низьких температурах. Алмаз використовується як абразивний матеріал, дорогоцінного камінняв ювелірні прикраси. Алмазним напиленням мають шліфувальні насадки бормашин. У фармакології та медицині використовуються сполуки вуглецю - похідні вугільної кислоти та карбонових кислот, різні гетероцикли, полімери та ін Так, карболен (активоване вугілля), застосовується для абсорбції та виведення з організму різних токсинів; графіт (у вигляді мазей) – для лікування шкірних захворювань; радіоактивні ізотопи вуглецю – для наукових досліджень (радіовуглецевий аналіз). Вуглець у вигляді викопного палива: вугілля та вуглеводнів (нафта, природний газ) - одне з найважливіших джерел енергії для людства.

Карпенка Д.
ХФ ТюмГУ 561гр.

Джерела:
Вуглець // Вікіпедія. Дата поновлення: 18.01.2019. URL: https://ua.wikipedia.org/?oldid=97565890 (дата звернення: 04.02.2019).

Вуглець (від латинського: carbo «вугілля») є хімічним елементом із символом С та атомним номером 6. Для утворення ковалентних хімічних зв'язків, доступні чотири електрони. Речовина є неметалевою та чотиривалентною. Три ізотопи вуглецю зустрічаються природним чином, 12С і 13С стабільні, а 14С - радіоактивний ізотоп, що згасає з періодом напіврозпаду близько 5730 років. Вуглець - один з небагатьох елементів, відомих з давніх-давен. Вуглець – це 15-й найпоширеніший елемент у земній корі, і четвертий найпоширеніший елемент у Всесвіті за масою після водню, гелію та кисню. Велика кількість вуглецю, унікальна різноманітність його органічних сполук і його незвичайна здатність утворювати полімери при температурах, які зазвичай зустрічаються на Землі, дозволяють цьому елементу служити загальним елементомвсім відомих форм життя. Це другий найпоширеніший елемент у людському тілі за масою (близько 18,5%) після кисню. Атоми вуглецю можуть зв'язуватися по-різному, називаючись у своїй алотропами вуглецю. Найбільш відомими алотропами є графіт, алмаз та аморфний вуглець. Фізичні властивості вуглецю широко варіюються залежно від алотропної форми. Наприклад, графіт непрозорий і чорний, а алмаз дуже прозорий. Графіт досить м'який, щоб утворювати смугу на папері (звідси і його назва, від грецького дієслова «γράφειν», що означає «писати»), тоді як алмаз є найтвердішим відомим у природі матеріалом. Графіт є добрим електричним провідником, а алмаз має низьку електропровідність. У звичайних умовах, алмаз, вуглецеві нанотрубки та графен мають найвищу теплопровідність серед усіх відомих матеріалів. Усі вуглецеві алотропи є твердими речовинами в нормальних умовах, причому графіт є найбільш термодинамічно стабільною формою. Вони хімічно стійкі та вимагають високої температури, щоб реагувати навіть із киснем. Найбільш поширений стан окислення вуглецю в не органічні сполукистановить +4, і +2 – у карбоксильних комплексах монооксиду вуглецю та перехідного металу. Найбільшими джерелами неорганічного вуглецю є вапняки, доломіт і двоокис вуглецю, але значні кількості походять з органічних відкладень вугілля, торфу, нафти та метанатних клатратів. Вуглець утворює велика кількістьсполук, більше, ніж будь-який інший елемент, з майже десятимільйонною кількістю сполук, описаних до теперішнього часу, проте це число є лише частиною числа теоретично можливих сполук в стандартних умовах. З цієї причини, вуглець часто згадується як "цар елементів".

Характеристики

Алотропи вуглецю включають графіт, одне з м'яких з відомих речовин, і алмаз, найтвердіша природна речовина. Вуглець легко зв'язується з іншими малими атомами, включаючи інші атоми вуглецю, і здатний утворювати численні стійкі ковалентні зв'язки з багатовалентними атомами. Відомо, що вуглець утворює майже десять мільйонів різних з'єднань, переважна більшість хімічних сполук. Вуглець також має саму високу точкусублімації серед усіх елементів. При атмосферному тиску, він не має температури плавлення, тому що його потрійна точка становить 10,8±0,2 МПа та 4600±300 К (~4330 °С або 7820 °F), тому він виганяється при температурі близько 3900 К. Графіт набагато реактивніший, ніж алмаз, в стандартних умовах, незважаючи на те, що він більш термодинамічно стабільний, оскільки його ділокалізована система pi набагато більш вразлива для атаки. Наприклад, графіт може бути окислений гарячою концентрованою азотною кислотоюу стандартних умовах до мелітової кислоти C6 (CO2H)6, яка зберігає гексагональні одиниці графіту при руйнуванні більшої структури. Вуглець виганяється у вуглецевій дузі, температура якої становить близько 5800 К (5530°С, 9980°F). Таким чином, незалежно від його алотропної форми, вуглець залишається твердим за більш високих температур, ніж найвищі температури плавлення, такі як вольфрам або реній. Хоча термодинамічно вуглець схильний до окислення, він більш стійкий до окислення, ніж такі елементи, як залізо та мідь, які є слабкішими відновниками при кімнатній температурі. Вуглець – шостий елемент з електронною конфігурацієюосновного стану 1s22s22p2, з яких чотири зовнішні електрони є валентними електронами. Його перші чотири енергії іонізації 1086,5, 2352,6, 4620,5 і 6222,7 кДж/моль, набагато вище, ніж у більш важких елементівгрупи 14. Електронегативність вуглецю становить 2,5, що значно вище, ніж у більш важких елементів групи 14 (1,8-1,9), але близька до більшості сусідніх неметалів, а також до деяких перехідних металів другого і третього ряду. Ковалентні радіуси вуглецю зазвичай приймаються як 77,2 пм (C-C), 66,7 пм (C = C) і 60,3 пм (C≡C), хоча вони можуть змінюватись в залежності від координаційного числа і від того, з чим пов'язаний вуглець. У загальному випадкуковалентний радіус зменшується при зменшенні координаційного числа і збільшенні порядку зв'язків. Вуглецеві сполуки становлять основу всіх відомих форм життя на Землі, а вуглець-азотний цикл забезпечує деяку енергію, що виділяється Сонцем та іншими зірками. Хоча вуглець утворює надзвичайну різноманітність сполук, більшість форм вуглецю порівняно не реагують у нормальних умовах. При стандартних температурах та тиску, вуглець витримує все, крім найсильніших окислювачів. Він не реагує із сірчаною кислотою, соляною кислотою, хлором чи лугами. При підвищених температурах вуглець реагує з киснем з утворенням оксидів вуглецю і прибирає кисень з оксидів металів, залишаючи елементний метал. Ця екзотермічна реакція використовується в чорній металургії для плавки заліза та контролю вмісту вуглецю в сталі:

Fe3О4 + 4 C(s) → 3 Fe(s) + 4 CO(g)

з сіркою з утворенням дисульфіду вуглецю та з парою в реакції вугілля-газ:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Вуглець поєднується з деякими металами при високих температурах з утворенням металевих карбідів, таких як цементит з карбіду заліза в сталі та карбід вольфраму, що широко використовується як абразив і для виготовлення жорстких наконечників для різальних інструментів. Система алотропів вуглецю охоплює низку екстремумів:

Деякі види графіту використовуються для теплоізоляції (наприклад, протипожежні перешкоди та теплозахисні екрани), але деякі інші форми є добрими тепловими провідниками. Алмаз – найвідоміший природний теплопровідник. Графіт непрозорий. Діамант дуже прозорий. Графіт кристалізується в гексагональній системі. Алмаз кристалізується у кубічній системі. Аморфний вуглець повністю ізотропний. Вуглецеві нанотрубки є одними з найвідоміших анізотропних матеріалів.

Алотропи вуглецю

Атомний вуглець є дуже недовговічним видом, і тому вуглець стабілізується у різних багатоатомних структурах з різними молекулярними конфігураціями, які називаються алотропами. Три відносно відомих алотропа вуглецю – аморфний вуглець, графіт та алмаз. Раніше вважалися екзотичними, фулерени нині зазвичай синтезуються і використовують у дослідженнях; вони включають бакіболи, вуглецеві нанотрубки, вуглецеві наноточки та нановолокна. Також було виявлено кілька інших екзотичних алотропів, таких як лонсалетит, скловуглець, вуглецевий нанофаум та лінійний ацетиленовий вуглець (карбін). Станом на 2009 рік, графен вважається найсильнішим матеріалом серед усіх, коли-небудь протестованих. Процес відокремлення його від графіту вимагатиме деякого подальшого технологічного розвитку, перш ніж він стане економічним для промислових процесів. У разі успіху, графен можна буде використовувати для будівництва космічних ліфтів. Він також може бути використаний для безпечного зберігання водню для використання у двигунах на основі водню в автомобілях. Аморфна форма є набір атомів вуглецю в некристалічному, нерегулярному, склоподібному стані, а не містяться в кристалічній макроструктурі. Вона присутня у вигляді порошку і є основним компонентом таких речовин, як деревне вугілля, лампова кіптява (сажа) та активоване вугілля. При нормальних тисках вуглець має форму графіту, в якому кожен атом тригонально пов'язаний трьома іншими атомами в площині, що складається зі сплавлених гексагональних кілець, як і в ароматичних вуглеводнях. Отримана мережа є двовимірною, і отримані плоскі листи складаються та вільно зв'язуються через слабкі сили Ван-дер-Ваальса. Це дає графіту його м'якість і властивості розщеплення (аркуші легко прослизають один за одним). Через ділокалізацію одного з зовнішніх електронівкожного атома з утворенням π-хмари, графіт проводить електрику, але лише у площині кожного ковалентно зв'язаного листа. Це призводить до нижчої питомої електропровідності для вуглецю, ніж більшість металів. Делокалізація також пояснює енергетичну стабільність графіту над алмазом за кімнатної температури. При дуже високих тисках, вуглець утворює компактніший алотроп, алмаз, що має майже вдвічі більшу щільність, ніж графіт. Тут кожен атом тетраедрично з'єднаний із чотирма іншими, утворюючи тривимірну мережу зморщених шестичленних кілець атомів. Алмаз має ту ж кубічну структуру, що кремній та германій, і через міцність вуглець-вуглецевих зв'язків він є найтвердішою природною речовиною, що вимірюється по опору подряпин. Всупереч поширеній думці, що «алмази вічні», вони термодинамічно нестабільні за нормальних умов і перетворюються на графіт. Через високий енергетичного бар'єруактивації, перехід у форму графіту настільки повільний при нормальній температурі , що він непомітний. За деяких умов, вуглець кристалізується як лонсалейт, гексагональні кристалічні грати з усіма ковалентно зв'язаними атомами та властивостями, аналогічними властивостям алмазу. Фулерени є синтетичним кристалічним утворенням з графітоподібною структурою, але замість шестикутників фулерени складаються з п'ятикутників (або навіть семикутників) атомів вуглецю. Відсутні (або додаткові) атоми деформують листи у сфери, еліпси чи циліндри. Властивості фулеренів (розділених на бакіболи, бакітуби та нанобади) ще не повністю проаналізовані і являють собою інтенсивну галузь досліджень наноматеріалів. Назви «фулерен» та «бакібол» пов'язані з ім'ям Річарда Бакмінстера Фуллера, популяризатора геодезичних куполів, які нагадують структуру фулеренів. Бакіболи є досить великими молекулами, утвореними повністю з вуглецевих зв'язків тригонально, утворюючи сфероїди (найвідомішим і найпростішим є баксиністерфелерен C60 з формою футбольного м'яча). Вуглецеві нанотрубки структурно подібні до бакіболів, за винятком того, що кожен атом пов'язаний тригонально в вигнутому листі, який утворює порожнистий циліндр. Нанобади вперше були представлені в 2007 році і є гібридними матеріалами (бакіболи ковалентно пов'язані із зовнішньою стінкою нанотрубки), які поєднують властивості обох в одній структурі. З інших виявлених алотропів, вуглецева нанопена є феромагнітним алотропом, виявленим у 1997 році. Вона складається з кластерного складання атомів вуглецю з низькою щільністю, натягнутих разом у пухку тривимірну мережу, в якій атоми тригонально пов'язані в шести- і семичленних кільцях. Вона належить до найлегших твердих речовин із щільністю близько 2 кг/м3. Аналогічно, склоподібний вуглець містить високу частку закритої пористості, але, на відміну від звичайного графіту, графітові шари не складені у вигляді сторінок у книзі, але мають більш випадкове розташування. Лінійний ацетиленовий вуглець має хімічну структуру - (C:::C) n-. Вуглець в цій модифікації є лінійним з орбітальною гібридизацією sp і є полімером з одиночними і потрійними зв'язками, що чергуються. Цей карбін становить значний інтерес для нанотехнологій, оскільки його модуль Юнга в сорок разів більший, ніж у найтвердішого матеріалу – алмазу. У 2015 році команда з Університету Північної Кароліни оголосила про створення ще одного алотропа, який вони назвали Q-вуглець, створений високоенергетичним лазерним імпульсом низької тривалості на аморфному вуглецевому пилу. Повідомляється, що Q-вуглець виявляє феромагнетизм, флуоресценцію та має твердість, що перевищує алмази.

Поширеність

Вуглець є четвертим за поширеністю хімічним елементом у Всесвіті за масою після водню, гелію та кисню. Вуглець рясніє в Сонці, зірках, кометах і атмосферах більшості планет. Деякі метеорити містять мікроскопічні алмази, сформовані, коли сонячна система все ще була протопланетним диском. Мікроскопічні алмази можуть утворюватися при інтенсивному тиску і високій температурі в місцях впливу метеорита. У 2014 році, НАСА оголосила про оновлену базу даних для відстеження поліциклічних ароматичних вуглеводнів(ПАУ) у Всесвіті. Більше 20% вуглецю у Всесвіті можуть бути пов'язані з ПАУ, комплексними сполуками вуглецю та водню без кисню. Ці сполуки фігурують у світовій гіпотезі ПАУ, де вони, ймовірно, відіграють роль в абіогенезі та формуванні життя. Схоже, що ПАУ були сформовані «через пару мільярдів років» після Великого вибуху, широко поширені у всесвіті та пов'язані з новими зірками та екзопланетами. За оцінками, тверда оболонка землі, загалом, містить 730 чнм вуглецю, при цьому 2000 чнм містяться в серцевині і 120 чнм – у комбінованій мантії та корі. Оскільки маса землі складає 5,9 72 × 1024 кг, це означатиме 4360 мільйонів гігатон вуглецю. Це набагато більше, ніж кількість вуглецю в океанах чи атмосфері (нижче). У поєднанні з киснем у вуглекислому газі, вуглець знаходиться в атмосфері Землі (приблизно 810 гігатон вуглецю) і розчиняється у всіх водоймах (приблизно 36000 гігатон вуглецю). У біосфері присутні близько 1900 гігатон вуглецю. Вуглеводні (такі як вугілля, нафта та природний газ) також містять вуглець. Вугільні «резерви» (а не «ресурси») становлять близько 900 гігатон з, можливо, 18 000 Гт ресурсів. Запаси нафти становлять близько 150 гігатон. Доведені джерела природного газу становлять близько 175 1012 кубічних метрів (що містять близько 105 гігатонн вуглецю), проте в дослідженнях оцінюється ще 900 1012 кубічних метрів «нетрадиційних» родовищ, таких як сланцевий газ, що становить близько 540 гігатон вуглецю. Вуглець також був виявлений у гідратах метану в полярних регіонах та під морями. за різним оцінкамкількість цього вуглецю становить 500, 2500 Гт, або 3000 Гт . У минулому кількість вуглеводнів була більшою. Згідно з одним джерелом, у період з 1751 по 2008 роки близько 347 гігатон вуглецю було викинуто в атмосферу у вигляді вуглекислого газу в атмосферу від спалювання викопного палива. Інше джерело додає кількість, додану в атмосферу в період з 1750 до 879 Гт, а загальна кількість в атмосфері, морі та землі (наприклад, торф'яні болота) становить майже 2000 Гт. Вуглець є складовою(12% за масою) дуже великих мас карбонатних порід (вапняк, доломіт, мармур тощо). Вугілля містить дуже велику кількість вуглецю (антрацит містить 92-98% вуглецю) і є найбільшим комерційним джерелом мінерального вуглецю, на який припадає 4000 гігатон або 80% викопного палива. Що стосується індивідуальних алотропів вуглецю, графіт міститься у великих кількостях у Сполучених Штатах (в основному, у Нью-Йорку та Техасі), у Росії, Мексиці, Гренландії та Індії. Природні алмази зустрічаються в гірському кімберліті, що міститься в давніх вулканічних «шиях» або «трубах». Більшість алмазних родовищ знаходиться в Африці, особливо в Південній Африці, Намібії, Ботсвані, Республіці Конго та Сьєрра-Леоне. Алмазні родовища також виявлені в Арканзасі, Канаді, Російській Арктиці, Бразилії, а також у Північній та Західній Австралії. Тепер діаманти також витягають із дна океану у мису Доброї Надії. Діаманти зустрічаються природним чином, але зараз виробляється близько 30% всіх промислових алмазів, що використовуються в США. Вуглець-14 утворюється у верхніх шарах тропосфери та стратосфери на висотах 9-15 км. у реакції, яка осаджується космічними променями. Виробляються теплові нейтрони, які стикаються з ядрами азоту-14, утворюючи вуглець-14 та протон. Таким чином, 1,2×10 10 % атмосферного вуглекислого газу містить вуглець-14. Астероїди, багаті на вуглецю, відносно переважають у зовнішніх частинах поясу астероїдів у нашій сонячній системі. Ці астероїди ще були безпосередньо досліджені вченими. Астероїди можуть використовуватися в гіпотетичному вуглевидобутку на основі космічного простору, що може бути можливим у майбутньому, але в даний час технологічно неможливо.

Ізотопи вуглецю

Ізотопи вуглецю є атомними ядрами, які містять шість протонів плюс ряд нейтронів (від 2 до 16). У вуглецю є два стійких, що зустрічаються в природі, ізотопу. Ізотоп вуглець-12 (12С) утворює 98,93% вуглецю на Землі, а вуглець-13 (13С) утворює 1,07%, що залишилися. Концентрація 12С ще більше збільшується в біологічних матеріалах, Тому що біохімічні реакції дискримінують 13С. У 1961 році, Міжнародний союз чистої та прикладної хімії(ІЮПАК) прийняв ізотопний вуглець-12 як основу для атомних ваг. Ідентифікація вуглецю в експериментах з ядерним магнітним резонансом (ЯМР) проводиться із ізотопом 13С. Вуглець-14 (14С) є природним радіоізотопом, створеним у верхній атмосфері (нижня стратосфера і верхня тропосфера) шляхом взаємодії азоту з космічними променями. Він знаходиться у слідових кількостях на Землі в кількості до 1 частини на трильйон (0,0000000001%), в основному, в атмосфері та поверхневих відкладах, зокрема, торфі та інших органічні матеріали. Цей ізотоп розпадається під час β-емісії 0,158 МеВ. Через відносно короткий період напіврозпаду, 5730 років, 14С практично відсутній у стародавніх скелях. В атмосфері та в живих організмах кількість 14С майже постійна, але знижується в організмах після смерті. Цей принцип використовується в радіовуглецевому датуванні, винайденому в 1949, яке широко використовувалося для визначення віку вуглецевих матеріалів з віком до 40000 років. Існує 15 відомих ізотопів вуглецю і найменший термін життя з них має 8C, який розпадається за рахунок емісії протонів та альфа-розпаду та має період напіврозпаду 1,98739 × 10-21 с. Екзотичний 19C демонструє ядерний ореол, що означає, що його радіус значно більший, ніж можна було б очікувати, якби ядро ​​було сферою постійної густини.

Освіта у зірках

Формування атомного ядравуглецю вимагає майже одночасного потрійного зіткнення альфа-часток (ядер гелію) всередині ядра гігантської або надгігантської зірки, що відомо як потрійний альфа-процес, оскільки продукти подальших реакцій ядерного синтезугелію з воднем або іншим ядром гелію виробляють літій-5 і берилій-8 відповідно, обидва з яких дуже нестійкі і майже миттєво згасають назад у дрібніші ядра. Це відбувається в умовах температур понад 100 мегакальвін та концентрації гелію, що неприпустимо в умовах швидкого розширення та охолодження раннього Всесвіту, і тому під час Великого вибуху не було створено значних кількостей вуглецю. Відповідно до сучасної теорії фізичної космології, вуглець утворюється всередині зірок у горизонтальній гілки шляхом зіткнення та трансформації трьох ядер гелію. Коли ці зірки вмирають як наднова, вуглець розсіюється у космос як пилу. Цей пил стає складовим матеріалом для утворення зоряних систем другого чи третього покоління з акрекованими планетами. Сонячна система – одна з таких зоряних систем з великою кількістю вуглецю, що дозволяє існування життя, як ми його знаємо. Цикл CNO є додатковим механізмом злиття, який керує зірками, де вуглець працює як каталізатор. Ротаційні переходи різних ізотопічних форм монооксиду вуглецю (наприклад, 12CO, 13CO і 18CO) виявляються в субміліметровому діапазоні довжин хвиль і використовуються при вивченні зір у молекулярних хмарах.

Вуглецевий цикл

У земних умовах конверсія одного елемента в інший - явище дуже рідкісне. Тому кількість вуглецю Землі ефективно постійне. Таким чином, у процесах, які використовують вуглець, він повинен виходити звідкись та утилізуватися в іншому місці. Шляхи вуглецю у навколишньому середовищі утворюють вуглецевий цикл. Наприклад, фотосинтетичні установки отримують вуглекислий газ з атмосфери (або морської води) і будують його в біомасу, як у циклі Кальвіна, процесі фіксації вуглецю. Деяка частина цієї біомаси з'їдається тваринами, тоді як деяка частина вуглецю видихається тваринами як двоокису вуглецю. Цикл вуглецю значно складніший, ніж цей короткий цикл; наприклад, кілька двоокису вуглецю розчиняється в океанах; якщо бактерії не поглинають його, мертва рослинна чи тваринна речовина може стати нафтою чи вугіллям, що виділяє вуглець під час спалювання.

З'єднання вуглецю

Вуглець може утворювати дуже довгі ланцюги взаємопов'язаних вуглець-вуглецевих зв'язків, властивість, яка називається утворенням ланцюжків. Вуглецю-вуглецеві зв'язки стійкі. Завдяки катанації (утворенню ланцюжків), вуглець утворює незліченну кількість сполук. Оцінка унікальних сполук показує, що більша кількість містить вуглець. Аналогічне твердження може бути зроблено водню, тому що більшість органічних сполук також містять водень. Найпростіша форма органічної молекули є вуглеводнем – велике сімейство органічних молекул, які з атомів водню, що з ланцюжком атомів вуглецю. Довжина ланцюга бічні ланцюгиі функціональні групивпливають властивості органічних молекул. Вуглець зустрічається у всіх формах відомого органічного життя та є основою органічної хімії. При поєднанні з воднем вуглець утворює різні вуглеводні, які важливі для промисловості як холодоагенти, мастильні матеріали, розчинники, як хімічна сировина для виробництва пластмас та нафтопродуктів, а також як викопне паливо. У поєднанні з киснем і воднем, вуглець може утворювати безліч груп важливих біологічних сполук, включаючи цукру, лігнани, хітини, спирти, жири та ароматичні складні ефіри, каротиноїди та терпеливі. З азотом вуглець утворює алкалоїди, а з додаванням сірки також утворює антибіотики, амінокислоти та гумові вироби. З додаванням фосфору до цих інших елементів він утворює ДНК і РНК, носії хімічного коду життя і аденозинтрифосфат (АТФ), найважливішу молекулу перенесення енергії у всіх живих клітинах.

Неорганічні сполуки

Зазвичай углеродсодержащие сполуки, пов'язані з мінералами або які містять водню чи фтору, обробляються окремо від класичних органічних сполук; це визначення не є суворим. У тому числі прості оксиди вуглецю. Найбільш відомим оксидом є двоокис вуглецю (CO2). Колись ця речовина була головною складовою палеоатмосфери, але сьогодні є другорядним компонентом атмосфери Землі. При розчиненні у воді ця речовина утворює вуглекислоту (H2CO3), але, як і більшість сполук з кількома однозв'язними киснями на одному вуглеці, вона нестійка. Однак, через цю проміжну речовину утворюються резонансні стабілізовані карбонатні іони. Деякими важливими мінераламиє карбонати, особливо кальцити. Вуглець дисульфід (CS2) аналогічний. Іншим поширеним оксидом є окис вуглецю (ЗІ). Вона утворюється при неповному згорянні та є безбарвним газом без запаху. Кожна молекула містить потрійний зв'язок і досить полярна, що призводить до того, що вона постійно зв'язується з молекулами гемоглобіну, витісняючи кисень, який має нижчу афінність зв'язування. Ціанід (CN-) має подібну структуру, але поводиться подібно до іонів галогеніду (псевдогалоген). Наприклад, він може утворювати молекулу нітриду ціаногену (CN) 2), аналогічну діатомових галогенідів. Іншими незвичайними оксидами є субоксид вуглецю (C3O2), нестійкий монооксид вуглецю (C2O), триоксид вуглецю (CO3), циклопентанпептон (C5O5), циклогексангексон (C6O6) та мелітовий ангідрид (C12O9). З реактивними металами, такими як вольфрам, вуглець утворює карбіди (C4-), або ацетиліди (C2-2) з утворенням сплавів з високими температурами плавлення. Ці аніони також пов'язані з метаном та ацетиленом, обидва з яких є дуже слабкими кислотами. При електронегативності 2,5, вуглець вважає за краще утворювати ковалентні зв'язки. Кілька карбідів є ковалентними гратами, такими як карборунд (SiC), який нагадує алмаз. Проте, навіть найполярніші і солеподібні карбіди є повністю іонними сполуками .

Металоорганічні сполуки

Органометалеві сполуки, за визначенням, містять щонайменше один зв'язок вуглець-метал. Існує широкий спектр таких сполук; основні класи включають прості сполуки алкіл-метал (наприклад, тетраетилелід), ? металоцени, що містять циклопентадієнільні ліганди (наприклад, фероцен); та карбенові комплекси перехідних металів Існує багато карбонілів металів (наприклад, тетракарбонілнікель); деякі працівники вважають, що ліганд монооксиду вуглецю є суто неорганічною, а не металоорганічною сполукою. У той час як вважається, що вуглець виключно утворює чотири зв'язки, повідомляється про цікаву сполуку, що містить октаедричний гексакоординований атом вуглецю. Катіон цієї сполуки є 2+. Це пояснюється аурофільністю золотих лігандів. У 2016 році було підтверджено, що гексаметилбензол містить атом вуглецю із шістьма зв'язками, а з не звичайними чотирма.

Історія та етимологія

Англійська назва вуглецю (carbon) походить від латинського carbo, що означає «вугілля» та «деревне вугілля», звідси ж і французьке слово charbon, що означає «деревне вугілля». Німецькою, голландською та датською мовами назви вуглецю – Kohlenstoff, koolstof і kulstof відповідно, всі в буквальному розумінні означають вугільну субстанцію. Вуглець був виявлений у доісторичних часах і був відомий у формах сажі та деревного вугілля в ранніх людських цивілізаціях. Алмази були відомі, ймовірно, вже у 2500 р. до н. у Китаї, а вуглець у вигляді деревного вугілля був виготовлений у римські часи шляхом тієї ж хімії, що й сьогодні, шляхом нагрівання деревини у піраміді, покритій глиною, щоб унеможливити повітря. У 1722 році Рене Антуан Ферхо де Реамур продемонстрував, що залізо перетворюється на сталь через поглинання будь-якої речовини, яка тепер відома як вуглець. У 1772 Антуан Лавуазьє показав, що алмази є формою вуглецю; коли він спалював зразки деревного вугілля та алмазу і виявив, що жоден з них не виробляв жодної води, і що обидві речовини випускали однакову кількість вуглекислого газу на грам. У 1779 Карл Вільгельм Шееле показав, що графіт, який вважався формою свинцю, натомість був ідентичний деревному вугіллю, але з невеликою домішкою заліза і що він давав «повітряну кислоту» (що є діоксидом вуглецю) при окисленні азотною кислотою. У 1786 році французькі вчені Клод Луї Бертолле, Гаспард Мондж і К. А. Вандермонд підтвердили, що графіт в основному був вуглецем, при окисленні його в кисні майже так само, як Лавуазьє робив з алмазом. Деяка кількість заліза знову залишалася, що, на думку французьких вчених, була потрібна для структури графіту. У своїй публікації вони запропонували назву carbone ( латинське слово carbonum) для елемента у графіті, що виділявся як газ при спалюванні графіту. Потім Антуан Лавуазьє перерахував вуглець як елемент свого підручника 1789 року. Новий алотроп вуглецю, фулерен, який був виявлений у 1985 році, включає наноструктурні форми, такі як баккіболи та нанотрубки. Їхні першовідкривачі – Роберт Керл, Гарольд Крото та Річард Смоллі – отримали Нобелівську премію з хімії у 1996 році. Відновлений інтерес до нових форм, що виник у результаті, призводить до відкриття додаткових екзотичних алотропів, включаючи склоподібний вуглець, і усвідомлення того, що «аморфний вуглець» не є строго аморфним.

Виробництво

Графіт

Комерційно життєздатні природні відкладення графіту зустрічаються в багатьох частинах світу, але найбільш економічно важливі джерела знаходяться в Китаї, Індії, Бразилії та Північній Кореї. Графітові відкладення мають метаморфічне походження, виявлене у поєднанні з кварцом, слюдою та польовими шпатами в сланцях, гнейсах і метаморфізованих пісковиках і вапняках у вигляді лінз або жил, іноді завтовшки кілька метрів або більше. Запаси графіту в Борроудейл, Камберленд, Англія були спочатку достатнього розміру і чистоти, тому до 19-го століття олівці робилися просто шляхом розпилювання блоків з натурального графітуна смужки перед обклеюванням смуг у деревині. Сьогодні менші відкладення графіту одержують шляхом подрібнення батьківської породи та плавання легшого графіту на воді. Існує три типи натурального графіту - аморфний, лускатий або кристалічний. Аморфний графіт має найнижчу якість і є найпоширенішим. На відміну від науки, в промисловості «аморфний» відноситься до дуже маленького розмірукристала, а не до повної відсутності кристалічної структури. Слово "аморфний" використовується для позначення продуктів з низькою кількістю графіту і є найдешевшим графітом. Великі родовища аморфного графіту знаходяться у Китаї, Європі, Мексиці та США. Плоский графіт рідше зустрічається і має високу якість, ніж аморфний; він виглядає як окремі пластини, що кристалізуються в метаморфічних породах. Ціна гранульованого графіту може вчетверо перевищувати ціну аморфного. Лускатий графіт хорошої якостіможе бути перероблений в графіт, що розширюється, для багатьох застосувань, таких як антипірени. Первинні родовища графіту знаходяться в Австрії, Бразилії, Канаді, Китаї, Німеччині та на Мадагаскарі. Рідкий або кусковий графіт - найрідкісніший, найцінніший і найякісніший тип природного графіту. Він знаходиться в жилах уздовж інтрузивних контактів у твердих шматках, і комерційно видобувається лише у Шрі-Ланці. Згідно USGS, світове виробництво природного графіту в 2010 році склало 1,1 мільйона тонн, при цьому в Китаї було видобуто 800 000 тонн, в Індії – 130 000 т, у Бразилії – 76 000 т, у Північній Кореї – 30 000 т та Канаді – 25 000 т. Ніякого природного графіту не було видобуто у Сполучених Штатах, але у 2009 році було видобуто 118 000 т синтетичного графіту з оцінною вартістю 998 млн. дол. США.

Алмаз

Постачання алмазів контролюються обмеженою кількістюбізнесів, а також високо концентруються у невеликій кількості місць по всьому світу. Тільки дуже невелика частка алмазної руди складається із реальних алмазів. Руда подрібнюється, під час чого необхідно вжити заходів для запобігання руйнуванню великих алмазів у цьому процесі, а потім частинки сортуються за щільністю. Сьогодні алмази видобувають у фракції багатої на алмази за допомогою рентгенівської флуоресценції, після чого останні кроки сортування виконуються вручну. До поширення використання рентгенівських променів, поділ проводився за допомогою мастильних стрічок; відомо, що алмази було виявлено лише в алювіальних відкладах Півдні Індії. Відомо, що алмази схильні прилипати до маси, ніж інші мінерали в руді. Індія була лідером у виробництві алмазів з моменту їх відкриття приблизно в IX столітті до н.е. 1725 року. Алмазне виробництво первинних родовищ (кімберлітів та лампроїтів) почалося лише у 1870-х роках, після відкриття алмазних родовищ у Південній Африці. Виробництво алмазів збільшувалося з часом, і з цієї дати було накопичено всього 4,5 млрд каратів. Близько 20% від цієї кількості було видобуто лише за останні 5 років, і протягом останніх десяти років розпочали виробництво 9 нових родовищ, і ще 4 чекають на швидке відкриття. Більшість із цих родовищ перебувають у Канаді, Зімбабве, Анголі та одне – у Росії. У Сполучених Штатах алмази були виявлені в Арканзасі, Колорадо та Монтані. У 2004 році разюче відкриття мікроскопічного алмазу в Сполучених Штатах призвело до випуску в січні 2008 року масового відбору проб кімберлітових труб у віддаленій частині Монтани. Сьогодні більшість комерційно життєздатних алмазних родовищ перебувають у Росії, Ботсвані, Австралії та Демократичній Республіці Конго. У 2005 році Росія виробила майже одну п'яту світового запасу алмазів, за повідомленням Британської Геологічної Служби. В Австралії найбагатша діамантова труба досягла пікових рівнів виробництва в 42 метричні тонни (41 тонна, 46 коротких тонн) на рік у 1990-х роках. Існують також комерційні родовища, активні видобутки яких здійснюються на Північно-Західних територіях Канади, Сибіру (в основному, на території Якутії, наприклад, у Трубі «Мир» та у Вдалій трубі), у Бразилії, а також у Північній та Західній Австралії.

Застосування

Вуглець необхідний всім відомих живих систем. Без нього неможливе існування життя, такого, як ми його знаємо. Основне економічне використання вуглецю, крім продуктів харчування та деревини, відноситься до вуглеводнів, в першу чергу, до викопного палива метанового газу та сирої нафти. Сира нафта переробляється нафтопереробними заводами для бензину, гасу та інших продуктів. Целюлоза є природним углеродсодержащим полімером, що виробляється рослинами у вигляді дерева, бавовни, льону і конопель. Целюлоза використовується, переважно, підтримки структури рослин. Комерційно цінні вуглецеві полімери тваринного походження включають шерсть, кашемір та шовк. Пластмаси виготовляють із синтетичних вуглецевих полімерів, часто з атомами кисню та азоту, включеними через регулярні інтервали в основний полімерний ланцюг. Сировина для багатьох із цих синтетичних речовин надходить із сирої нафти. Використання вуглецю та його сполук надзвичайно різноманітне. Вуглець може утворювати сплави із залізом, найбільш поширеним з яких є вуглецева сталь. Графіт поєднується з глинами, утворюючи «свинець», що використовується в олівцях, які використовуються для письма та малювання. Він також використовується як мастило і пігмент як формувальний матеріал при виробництві скла, в електродах для сухих батарей і гальванізації і гальванопластики, в щітках для електродвигунів і як сповільнювач нейтронів в ядерних реакторах. Вугілля використовується як матеріал для виготовлення творів мистецтва, як гриль для барбекю, для виплавки заліза і має багато інших застосувань. Деревина, вугілля та нафта використовуються як паливо для виробництва енергії та для опалення. Алмази високої якості використовуються у виробництві ювелірних виробів, а промислові алмази використовуються для свердління, різання та полірування інструментів для обробки металів та каменю. Пластмаси виготовляються з копалин вуглеводнів, а вуглецеве волокно, виготовлене шляхом піролізу синтетичних поліефірних волокон, використовується для армування пластмас з утворенням передових, легких композиційних матеріалів. Вуглецеве волокно виготовляється шляхом піролізу екструдованих та розтягнутих ниток поліакрилонітрилу (PAN) та інших органічних речовин. Кристалічна структураі механічні властивостіволокна залежать від типу вихідного матеріалу та подальшої обробки. Вуглецеві волокна, виготовлені з PAN, мають структуру, що нагадує вузькі нитки графіту, але термічна обробка може перевпорядкувати структуру безперервний лист. В результаті, волокна мають більш високу питому міцність на розтяг, ніж сталь. Вуглецева сажа використовується як чорний пігмент у друкованих фарбах, масляній фарбі та акварелях художників, вуглецевому папері, автомобільному оздобленні, чорнилах і лазерних принтерах. Вуглецева сажа також використовується як наповнювач у гумових виробах, таких як шини та пластмасових з'єднаннях. Активоване вугілля використовується як абсорбент і адсорбент у фільтрувальних матеріалах у таких різноманітних застосуваннях, як протигази, очищення води та кухонні витяжки, а також в медицині для поглинання токсинів, отрут або газів з травної системи. Вуглець використовується при хімічному відновленні за високих температур. Кокс використовується для відновлення залізнякуу залозі (плавка). Затвердіння сталі досягається за рахунок нагрівання готових сталевих компонентів у вуглецевому порошку. Карбіди кремнію, вольфраму, бору і титану входять до числа твердих матеріаліві використовуються як абразиви для різання та шліфування. Вуглецеві сполуки складають більшу частину матеріалів, що використовуються в одязі, таких як натуральний та синтетичний текстиль та шкіра, а також майже всі внутрішні поверхнів середовищі, відмінному від скла, каменю та металу.

Діаманти

Алмазна промисловість поділяється на дві категорії, одна з яких – алмази високої якості (дорогоцінне каміння), а інша – алмази промислового класу. Хоча існує велика торгівля обома типами алмазів, обидва ринки діють зовсім по-різному. На відміну від дорогоцінних металів, таких як золото або платина, діаманти дорогоцінного каміння не торгуються як товар: у продажу алмазів є суттєва надбавка, і ринок перепродажу алмазів не дуже активний. Промислові алмази цінуються, в основному, за їхню твердість і теплопровідність, при цьому гемологічні якості ясності та кольору в основному неактуальні. Близько 80% видобутих алмазів (до приблизно 100 млн каратів або 20 тонн на рік) непридатні для використання, і використовуються в промисловості (алмазний брухт). Синтетичні алмази, винайдені у 1950-х роках, майже одразу знайшли промислові застосування; Щорічно виробляється 3 млрд каратів (600 тонн) синтетичних алмазів. Домінуючим промисловим використанням алмазу є різання, свердління, шліфування та полірування. Більшість цих застосувань не потребує великих алмазів; насправді більшість алмазів дорогоцінної якості, за винятком алмазів невеликого розміру, можуть використовуватися в промисловості. Алмази вставляються в наконечники свердел або пильні диски або подрібнюються на порошок для використання в шліфуванні та поліруванні. Спеціалізовані застосування включають використання в лабораторіях як сховище для експериментів високого тиску, високопродуктивних підшипників та обмежене використання у спеціалізованих вікнах. Завдяки досягненням у галузі виробництва синтетичних алмазів, нові застосування стають практично здійсненними. Велика увага приділяється можливому використанню алмазу як напівпровідника, що підходить для мікрочіпів, і через його виняткову теплопровідність як радіатор в електроніці.

Коротко розповісти, що таке вуглець, неможливо. Адже він – основа життя. Цей елементє у всіх органічних сполуках, і лише може формувати молекули ДНК з мільйонів атомів. Його властивості численні, тому про нього варто розповісти детальніше.

Формула, позначення, особливості

Даний елемент, що знаходиться в таблиці під порядковим номеромшість, позначається символом "С". Електронна структурна формулавуглецю виглядає наступним чином: 1s 2 2s 2 2p 2 . Його маса – 12,0107 а.о.м. Ця речовина має:

• Два неспарені електрони в основному стані. Виявляє валентність ІІ.
• Чотири неспарені електрони в збудженому стані. Виявляє валентність IV.

Варто зазначити, що певна масавуглецю міститься у земній корі. 0,023%, якщо точніше. Головним чином він накопичується у верхній частині, у біосфері. Більшість маси вуглецю літосфери накопичується в доломітах і вапняках, як карбонатів.

Фізичні характеристики

Отже, що таке вуглець? Це речовина, яка існує у величезній кількості алотропних модифікацій, та його фізичні властивості перераховувати можна довго. А різноманітність речовин обумовлюється здатністю вуглецю до утворення хімічних зв'язків різних типів.

Щодо властивостей вуглецю, як простої речовини? Їх можна узагальнити так:

• За нормальних умов щільність становить 2,25 г/см³.
• Температура кипіння дорівнює 3506,85 °C.
• Молярна теплоємність – 8,54 Дж/(K.моль).
• Критична температура фазового переходу (коли газ не конденсується за жодного тиску) - 4130 К, 12 МПа.
• Молярний об'єм 5,3 см³/моль.

Також варто перерахувати вуглецеві модифікації.

З кристалічних речовиннайвідомішими є: алмаз, карбін, графіт, наноалмаз, фулерит, лонсдейліт, фулерен, а також вуглецеві волокна.

До аморфних утворень відноситься: деревне, викопне та активоване вугілля, антрацит, кокс, скловуглець, сажа, техвуглець і нанопена.

Але ніщо з перерахованого не є чистою алотропною формою речовини, що обговорюється. Це лише хімічні сполуки, у яких вуглець міститься у високій концентрації.

Структура

Цікаво, що електронні орбіталі атома вуглецю не однакові. Вони мають різну геометрію. Все залежить від ступеня гібридизації. Є три геометрії, що найчастіше зустрічаються:

• Тетраедрична. Вона утворюється, коли відбувається змішання трьох р- та одного s-електронів. Така геометрія атома вуглецю спостерігається у лонсдейліту та алмазу. Аналогічну структуру має метан та інші вуглеводні.
• Тригональна. Дану геометрію утворює змішання двох р- та однієї s-електронної орбіталі. Ще один р-елемент не бере участі в гібридизації, але він задіяний при утворенні π-зв'язку з іншими атомами. Ця структура властива фенолу, графіту та іншим модифікаціям.
• Дигональна. Ця структура утворюється внаслідок змішування s- та р-електронів (по одному). Цікаво, що виглядають електронні хмари як несиметричні гантелі. Витягнуті вони вздовж цього напряму. Ще два р-електрони утворюють горезвісні π-зв'язки. Ця геометрія й у карбина.

Нещодавно, в 2010 році, вчені з університету, що знаходиться в Ноттінгемі, відкрили з'єднання, в якому відразу чотири атоми опинилися в одній площині. Його назва – мономерний дилітіо метандій.

Молекули

Про них варто сказати окремо. Атоми речовини, що обговорюється, можуть з'єднуватися, внаслідок чого утворюються складні молекули вуглецю. Від насичених Na, С 2 і Н 2 між якими занадто слабке тяжіння, їх відрізняє схильність конденсуватися в твердий стан. Молекули вуглецю можуть залишатися в газоподібному станітільки якщо підтримувати високу температуру. Інакше речовина миттєво затвердіє.

Якийсь час тому в США, у Берклеївській національній лабораторії, була синтезована нова форматвердого вуглецю. Це – С36. І його молекулу утворює 36 вуглецевих атомів. Речовина утворюється разом із фулеренами С60. Відбувається це між двома електродами графіту, за умов полум'я дугового розряду. Вчені припускають, що молекули нової речовини мають цікаві хіміко-електричні властивості, які поки не вивчені.

Графіт

Тепер можна детальніше розповісти про найвідоміші модифікації такої речовини, як вуглець.

Графіт - це самородний мінерал зі шаруватою структурою. Ось його особливості:

• Він чудово проводить струм.
• Є відносно м'якою речовиною через свою низьку твердість.
• При нагріванні без повітря виявляє стійкість.
• Чи не плавиться.
• На дотик жирний, слизький.
• У природному графіті міститься 10-12% домішок. Як правило, це оксиди заліза та глини.

Якщо говорити про хімічні властивості, то варто зазначити, що з солями та лужними металами ця речовина утворює так звані сполуки включення. Ще графіт за високої температури реагує з киснем, згоряючи до вуглекислого газу. Але контакт з неокисляючими кислотами ніякого результату за собою не тягне - ця речовина в них просто не розчиняється.

Застосовують графіт у різних сферах. Його використовують при виготовленні футерувальних плит та плавильних тиглів, у виробництві нагрівальних елементів та електродів. Без участі графіту неможливо отримати синтетичні алмази. Також він відіграє роль сповільнювача нейтронів у ядерних реакторах. І, звичайно, з нього роблять стрижні для олівців, заважаючи з каоліном. І це лише частина сфер, де вона використовується.

Алмаз

Це метастабільний мінерал, який може існувати необмежену кількість часу, що певною мірою обумовлено міцністю та щільністю вуглецю. Алмаз є найтвердішою речовиною за Моосовою шкалою, він легко розрізає скло.

У нього висока теплопровідність, дисперсія, показник заломлення. Він зносостійкий, а щоб змусити його плавитися, потрібна температура 4000 ° C і тиск близько 11 ГПа. Його особливість – люмінесценція, здатність світитися різними кольорами.

Це рідкісна, хоч і поширена речовина. Вік мінералів, згідно з даними певних дослідженьможе коливатися від 100 мільйонів до 2,5 мільярда років. Виявлено алмази позаземного походження, можливо навіть соняшникового.

Цей мінерал знайшов своє застосування у ювелірній справі. Огранований алмаз, що називається діамантом, коштує дорого, але статус коштовності і краса зробили його ще популярнішим. До речі, також цю речовину використовують при виготовленні різців, свердлів, ножів і т. д. Завдяки своїй винятковій твердості мінерал застосовують у багатьох виробництвах.

Карбін

Продовжуючи тему про те, що таке вуглець, потрібно кілька слів сказати і про таку його модифікацію, як карбін. Він виглядає як чорний дрібнокристалічний порошок, має напівпровідникові властивості. Отримано штучно на початку 60-х років радянськими вченими.

Особливість даної речовини полягає в провідності, що збільшується під світловою дією. Саме тому його почали застосовувати у фотоелементах.

Графен

Це перший у світі двовимірний кристал. У даній модифікації більша механічна жорсткість, ніж у графіту, і рекордно висока теплопровідність, що становить ~5.10 3 Вт.м −1 .К−. У носіїв заряду графена висока рухливість, саме тому речовина має перспективи щодо її використання у різних додатках. Вважається, що може стати майбутньою основою наноелектроніки і навіть замінити кремній в інтегральних мікросхемах.

Графен одержують штучно, у наукових лабораторіях. Для цього доводиться вдаватися до механічного відщеплення графітових шарів від високоорієнтованої речовини. Так одержують зразки високої якості з необхідною рухливістю носіїв.

Його властивості вивчені не повністю, але дещо цікаве вчені вже встигли відзначити. Наприклад, у графені немає вінгерівської кристалізації. А в подвійному шарі речовини поведінка електронів нагадує ту, яка властива рідким кристалам. Якщо дотриматися параметрів сколювання на кристалі, вдасться отримати графенову коробчасту наноструктуру.

Токсичність

Цю тему варто відзначити на закінчення розповіді про те, що таке вуглець. Справа в тому, що ця речовина виділяється в атмосферу разом із вихлопними газами автомобілів. А ще при спалюванні вугілля, підземної газифікації та у багатьох інших процесах.

Підвищений вміст цієї речовини у повітрі призводить до збільшення чисельності захворювань. Зокрема, це стосується легких та верхніх дихальних шляхів. А токсична дія обумовлена ​​взаємодією радіаційного характеру з β-частинками, що веде до того, що хімічний складмолекули міняються і властивості речовини - теж.